장식품으로 높은 인기를 자랑하는 다이아몬드는 매우 단단한 물질이어서 연마재와 드릴비트의 재료로 사용되고 있습니다. 그런 다이아몬드보다 딱딱한 론스달라이트(Lonsdaleite)의 존재가 알려져 있었는데, 워싱턴주립대학의 연구팀이 육방정 다이아몬드 형성에 성공했습니다.
formed under shock compression
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.103.L100101
Elastic moduli of hexagonal diamond and cubic diamond formed under shock compression
The relative stiffnesses and strengths of hexagonal diamond and cubic diamond constitute long-standing unresolved issues, because relevant experimental results are lacking. Laser interferometry was used to experimentally determine the longitudinal sound sp
journals.aps.org
Lab-made hexagonal diamonds stiffer than natural diamonds | WSU Insider | Washington State University
https://news.wsu.edu/2021/03/31/lab-made-hexagonal-diamonds-stiffer-natural-diamonds/
Lab-made hexagonal diamonds stiffer than natural diamonds | WSU Insider | Washington State University
For the first time, researchers at WSU’s Institute for Shock Physics have hard evidence that human-made hexagonal diamonds are stiffer than the common cubic diamonds found in nature and often used in jewelry.
news.wsu.edu
육방정 다이아몬드는 흑연에 운석의 충돌 등의 강한 충격과 열이 가해졌을 때 형성됩니다. 일반적인 다이아몬드가 큐빅이라는 구조를 가지고 있는 반면, 육방정 다이아몬드는 탄소원자가 육각형의 패턴으로 배치되어 있어서 이론적으로는 큐빅 다이아몬드보다 딱딱한 것으로 추정됐습니다.
그러나 천연 육방정 다이아몬드는 운석 충돌에 의한 크레이터 등에서 발견되기 때문에 불순물이 많은 순수 경도의 측정은 이루어지지 않았습니다. 실험실에서 육방정 다이아몬드를 형성하는 연구는 지금까지도 이루어져 왔지만, 형성된 육방정 다이아몬드가 너무 작거나 존재할 수 있는 시간이 너무 짧았기 때문에 경도의 측정에 이르지 못했습니다.
이번에 실시된 연구에서는 10센트 동전 크기(지름 18mm)의 원반 모양의 흑연을 시속 약 2만 4100km로 벽과 충돌시킴으로써 운석의 충격에 의한 높은 에너지를 재현했습니다. 그 결과, 경도를 측정하는 데 충분한 크기의 육방정 다이아몬드의 형성에도 성공했습니다.
형성된 육방정 다이아몬드는 수십억 분의 1초 만에 붕괴해 버리지만, 연구팀은 물질이 굳어질수록 음파가 물질 내에서 이동하는 속도가 높아진다는 점을 이용하여 육방정 다이아몬드 내에서 음파가 이동하는 속도를 레이저를 이용하여 측정하여 육방정 다이아몬드의 강성을 측정했습니다.
연구팀에 따르면, 육방정 다이아몬드는 큐빅 다이아몬드보다 높은 강성을 나타내었고, 강성을 바탕으로 추측한 경도에 근거해 "육방정 다이아몬드는 큐빅 다이아몬드보다 딱딱할 가능성이 있다"고 결론내렸습니다.
연구팀의 일원이자 워싱턴주립대학의 충격물리학 연구소 소장을 맡고 있는 요겐도라 굽타 씨는 "다이아몬드는 매우 딱딱한 결정일 뿐만 아니라 아름다운 광학 특성과 높은 열전도율을 제공합니다. 이번 연구에서 형성된 육방정 다이아몬드는 일반 다이아몬드보다 훨씬 높은 강성과 강도를 가지고 있습니다"라며 육방정 다이아몬드의 경도를 강조합니다.
연구팀의 일원인 트래비스 볼츠 씨는 "딱딱한 물질은 가공 능력이 우수하므로 다이아몬드 드릴비트 등은 공업제품에 이용되어 왔습니다. 육방정 다이아몬드는 큐빅 다이아몬드보다 단단할 가능성이 높기 때문에 큐빅 다이아몬드가 사용되어 왔던 다양한 용도의 대안으로 이용될 가능성이 있습니다"라고 말하며, 향후 육방정 다이아몬드가 안정적으로 생산될 것으로 전망합니다.
또한 2020년에는 큐빅 다이아몬드보다 딱딱하다고 추정되는 '펜타 다이아몬드'의 존재를 쓰쿠바대학의 연구팀이 예언했습니다.
Phys. Rev. Lett. 125, 016001 (2020) - Pentadiamond: A Hard Carbon Allotrope of a Pentagonal Network of sp2 and sp3 C Atoms
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.016001
Pentadiamond: A Hard Carbon Allotrope of a Pentagonal Network of ${\mathrm{sp}}^{2}$ and ${\mathrm{sp}}^{3}$ C Atoms
Calculations indicate that a form of carbon synthesized from pentagonal hydrocarbon molecules could have unusual electrical and mechanical properties.
journals.aps.org
Researchers building a harder diamond, called pentadiamonds
https://phys.org/news/2020-07-harder-diamond-pentadiamonds.html
Researchers building a harder diamond, called pentadiamonds
Researchers at the University of Tsukuba used computer calculations to design a new carbon-based material even harder than diamond. This structure, dubbed "pentadiamond" by its creators, may be useful for replacing current synthetic diamonds in difficult c
phys.org
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